采用自补偿复合电流判据的变电站长段动力电缆漏电监测方法

陈 昊，刘怀宇，姚 凯，马兆兴，孙小磊

采用自补偿复合电流判据的变电站长段动力电缆漏电监测方法

陈 昊1，刘怀宇1，姚 凯1，马兆兴2，孙小磊1

(1.国网江苏省电力有限公司检修分公司，江苏 南京 211102；2.青岛理工大学信息与控制工程学院，山东 青岛 266525)

长期以来，变电站长段动力电缆漏电缺乏有效监测手段。基于对漏电电流变化特征以及现有监测方法局限性的分析，提出了一种采用自补偿复合电流判据的变电站交流系统长段动力电缆漏电监测方法。该方法通过引入动力电缆两端剩余电流和单相电流信息，构建由稳态剩余电流判据、剩余电流增量判据、稳态剩余电流差动判据、单相剩余电流差动判据相结合的复合判据，实现对长段电缆不对称漏电、三相漏电的可靠辨识。仿真计算和现场实践结果表明，所提方法能够有效监测交流系统长段动力电缆各种漏电故障，提升站内交流系统智能运维水平。

剩余电流；差流；长段动力电缆；复合电流判据；漏电监测；智能运维

0 引言

220 kV及以上变电站交流系统的电气火灾一般分为动力电缆(或所连接的负载)短路引起的火灾和绝缘损坏引起的火灾[1-7]，前者的短路电流较大，一般可以通过空开、熔丝、保护装置的动作迅速切断故障电流[8-9]。后者由于电弧电阻的存在[10-12]，引起动力电缆漏电流通常小于300 mA，常规的空气开关不能动作，尤其是给开关场负荷供电的长段动力电缆(简称长电缆)，其长度达百米以上，甚至达200多米，其中80%以上电缆段途经易发生积水的电缆沟，存在较大的绝缘损坏隐患[13-15]，极易导致漏电流长期存在，甚至引发火灾，烧毁电缆，对站内交流负荷的正常运行构成严重威胁。包括红外测温在内的常规变电运维手段，对发现动力电缆及其他交流回路绝缘损坏的温度升高虽有一定作用，但受到漏电发生部位、绝缘损坏所处阶段及周围散热等条件制约，仅能发现少部分交流回路漏电问题。近年发生的多起变电站电缆火情，大多经历了因绝缘损坏造成长时间漏电，直至电缆出现明火才被发现，如能在漏电阶段及时发现漏电故障，可以显著降低安全隐患。

借鉴低压用电系统通过监测剩余电流(residual current)防范漏电危及人身安全的思路，近年来基于剩余电流的动力电缆漏电监测系统[16-19]，已在多座500 kV变电站试点推广，实现了变电站应用层级的漏电监测。同时，围绕剩余电流监测的研究也在不断深入：文献[20]基于坐标变换方法，对剩余电流进行了计算；文献[21]研究了剩余电流的相位关系，为剩余电流的计算提供了参考；文献[22]给出了一种磁调制式电流互感器的剩余电流检测模块，能够提高剩余电流检测灵敏度，但未就产生剩余电流的运行工况进行说明。文献[23]采用保护原理，对剩余电流进行提取，但实现方法较为复杂。文献[24]从拓扑结构、调制方法的角度，阐述了漏电流抑制技术。文献[25]从控制的角度，采用补偿方法以减小共模电流。文献[26]讨论了电压型磁调制式剩余电流传感器问题，通过检测励磁电流实现了剩余电流的测量。上述研究均未专题讨论变电站内动力电缆剩余电流监测，且均未讨论剩余电流监测方法在实践层面的局限性。

本文基于对变电站动力电缆剩余电流法的讨论，分析了该方法在实践中的局限性，提出了一种自补偿复合电流判据，给出了采用该判据的变电站动力电缆漏电监测方法。最后结合500 kV变电站交流系统动力电缆漏电监测实践，验证了所提方法的有效性。

1 基于剩余电流监测的漏电监测方法及局限性

1.1 剩余电流监测原理

长期以来对动力电缆绝缘损坏引起的漏电缺乏有效的监测手段。近年来，通过借鉴低压电网的剩余电流监测方法实现对动力电缆的漏电监测。

剩余电流的概念始见于低压配网，其定义为：同一时刻，在电气装置中的电气回路给定点处的所有带电体电流值(即瞬时值)之和。剩余电流监测的基本原理如图1所示。

在工程允许误差范围内，一般情况下忽略杂散电流，本文后续讨论亦假设杂散电流为零。

易见，当发生单相对PE漏电时，剩余电流互感器(Residual Current Transformer, RCT)能感知到电流，当该电流超过告警定值时，剩余电流监测系统将发出漏电告警，实现电缆单相漏电故障的有效监测。

图1 剩余电流监测的基本原理

1.2 长段动力电缆剩余电流监测的实现

1) 单RCT方案

在变电站长段动力电缆支路首端装设RCT，该方案对电缆长度和所接负荷性质不作特殊考虑，监测范围较大，包含整条长电缆和该支路负荷的剩余电流。

2) 双RCT方案

在长段动力电缆支路首、末端均装设RCT，该方案适用于对长电缆的专项检测，利用两端剩余电流的差流监测长电缆漏电状态，不包含对电缆末端所接负荷的漏电监测，如要同时监测长电缆支路负荷漏电情况，需另引出末端RCT电流进行监测。

1.3 基于剩余电流的漏电监测方法的局限性

由于变电站长段动力电缆漏电监测和低压电网交流系统电缆剩余电流监测的目的和侧重点存在差异，在实际应用中，剩余电流监测方法也暴露出对动力电缆漏电故障的发展反应不灵敏、剩余电流保护死区偏大等局限性。

1) 对故障的发展反应不灵敏问题

剩余电流监测能反应长段动力电缆单相漏电等不对称漏电故障。如故障进一步发展为三相漏电故障，由于三相对地泄漏电流相位的相互抵消，剩余电流值和分相漏电流的数量和将产生显著差异，此时，剩余电流监测系统对这类漏电无法灵敏反应。

在漏电初始阶段，直接发生三相漏电的概率较低，往往先发生单相漏电，在以保护人身安全为目的的居民用电漏电监测中，利用剩余电流越限捕捉单相漏电进而跳开空开，可实现保护人身安全的目的。但在变电站交流系统中，情况有所不同。以电缆沟积水浸泡引起的长电缆单相漏电发展为三相漏电的故障为例，在单相漏电阶段，剩余电流监测的确可以发现单相漏电，但仅仅是告警，不去联跳空开。当漏电进一步发展成三相漏电时，剩余电流却将大幅减小，甚至告警信号消失，此时变电站运维人员将误判为单相漏电故障已消失，贻误故障排除时机。

2) 剩余电流保护死区偏大

图2 剩余电流的分解

变电站交流系统长段动力电缆的固有剩余电流和电缆制造、负荷性质等因素有关，由于该电流分布的离散性，在空间位置上并不集中在一点，最终酿成火灾的危险性远远小于附加泄漏电流。当前剩余电流监测系统的处理方式是在总体上测量剩余电流，不对两种性质不同的电流加以区分，易造成保护死区，同时加剧了剩余电流告警值整定问题。

此外，在实际应用中，单一的剩余电流监测还存在告警定值整定依据不充分、多CT采集电流时采样精度因受干扰而下降等问题。

2  采用自补偿复合电流判据的漏电监测方法

2.1 概述

鉴于上述问题，剩余电流判据难以实现长段动力电缆的各种类型漏电故障监测。综合考虑故障信息获取的完备性和现场安装的可实施性，提出了一种自补偿复合电流判据，实现变电站交流系统动力电缆的漏电监测。

2.2 电流的采集

在充分反应故障信息的基础上，以尽可能减少CT个数为原则，制定的电流采集方案如下。

在动力电缆M、N两侧A、B、C、N四线两侧各安装一个RCT，同时在长电缆A相两侧安装一个独立CT。图3为长电缆剩余电流监测原理图。根据两侧RCT和CT采集的数据，实现对长电缆不对称漏电(单相漏电、两相漏电)和三相漏电的有效判别。

图3 电流信息的采集

2.3 自补偿复合电流判据的判别元件

1) 稳态剩余电流元件(元件一)

基于长段动力电缆M侧的RCT所采集的剩余电流值构成稳态剩余电流元件，其动作判据如式(1)所示。

该元件经延时11动作，动作后保持12。如12结束，不再满足时间元件动作条件，则元件复归。

2) 剩余电流增量元件(元件二)

基于长电缆M侧RCT所采集的剩余电流固定时间间隔之间的矢量差构成剩余电流增量元件，动作判据如式(2)所示。

该元件经延时21动作，动作后保持22。如22结束，不再满足元件动作条件，则元件复归。

3) 稳态剩余电流差动元件(元件三)

基于长电缆M、N两侧的RCT所采集的剩余电流值构成稳态剩余电流差动元件，其动作判据如式(3)所示。

该元件经延时31动作，动作后保持32。如32结束，不再满足元件动作条件，则元件复归。

4) 单相差流元件(元件四)

基于长电缆M、N两侧的A相电流矢量差值构成单相电流差流元件，其动作判据如式(4)所示。

该元件经延时41动作，动作后保持42。如42结束，不再满足元件动作条件，则元件复归。

2.4 自补偿复合电流判据逻辑图及示例

基于上述的4种判别元件，构建自补偿复合电流判据，其逻辑如图4所示。

图4 自补偿复合电流判据

下面就电缆沟积水电缆绝缘破损，由单相漏电发展为对称三相漏电时的告警过程加以说明(不失一般性，假设B相首先发生漏电)。

1) 单相漏电阶段： B相首先发生漏电，稳态剩余电流元件和剩余电流增量元件组成的或门输出为1，稳态剩余电流差动元件输出为1，监测系统报不对称漏电；

2) 对称三相漏电阶段：假设发展为ABC三相漏电，首端感受到剩余电流大幅降低，稳态剩余电流元件、稳态剩余电流差动元件输出为0。剩余电流增量元件使或门输出为1，因为此时A相已出现漏电流，单相差流元件输出为1，监测系统报三相漏电。

易见，自补偿复合电流判据相较于剩余电流判据，具有较强的三相漏电监测能力。

2.5 自补偿电流的工程取值方法

考虑到基建初期，长段动力电缆状态较好，尚未经受不利现场环境的影响，宜将此时的剩余电流测量值作为固有剩余电流的工程参考值。

基于上述假设，通过在长电缆敷设初期进行实测电缆始端、末端的RCT测量剩余电流，将其作为固有剩余电流的估计值。由于测量误差等因素的存在，固有剩余电流估计值不能实现真正意义上的完全补偿，但可以大幅降低固有剩余电流的影响，提高稳态剩余电流差动元件的灵敏性。

下面做进一步的图形化的说明，补偿前的稳态剩余电流元件极限动作区域为图5左侧部分中红色虚线圆外侧，补偿后极限动作区域变为红色实线圆外侧，可见极限动作区域变大。不失一般性，假设告警定值定为理论极限告警值的2倍，补偿前后告警定值变化如图5所示。易见，动作区域显著扩大，图5中稳态剩余电流实测值采取自补偿前不能告警，自补偿机制启动后可以告警，判别灵敏度得以提高。

图5 固有剩余电流补偿对定值的影响

类似地，计算得到固有剩余电流差流的估计值，实测得到A相固有漏电流差流的估计值，分别实现元件二和元件四的自补偿电流工程取值。

图6给出了文中所提漏电流监测判别分析的流程图。

图6 漏电流监测分析流程图

3 仿真验证

本节以江苏地区某500 kV变电站某断路器间隔长段动力电缆(长度为125 m)为研究对象，基于实测电流电压数据的收集和电缆的实际参数，于2021年2月在国家超级计算广州中心的天河二号超算机上进行了有限元仿真。模拟了3种基本故障、12种发展性故障验证本文所提判据在各种漏电场景下的有效性。下面以发展性故障I(单相故障发展成三相故障)为例加以说明。

图7给出了模拟长段动力电缆B相单相漏电阶段的电流分布，图8给出了模拟长段动力电缆三相漏电阶段的电流分布。

基于仿真结果的两阶段判据对比情况如表1所示。

图7 单相漏电时的电流分布

图8 三相漏电时的电流分布

表1 发展性故障I的仿真结果

由图7、图8和表1可见：

1) 在单相漏电阶段，B相电缆对PE存在对地电流，剩余电流可以很好地表征单相漏电，两种判据均能正确报警。

2) 在三相漏电阶段，尽管ABC三相每相均存在显著的对地泄漏电流，但剩余电流较小(16 mA)，剩余电流判据无法反应这种三相漏电故障。复合电流判据综合其他元件信息(如单相差流为305 mA)识别出三相漏电故障。

4 现场应用

近十年来，江苏电网500 kV变电站发生数起因绝缘破损引起的二次电缆烧毁。2019年起，江苏地区多座500 kV变电站结合智能运检工程建设，安装剩余电流监测系统，同时根据前期监测数据收集和仿真计算的结果，在断路器储能回路等长段动力电缆支路进一步应用复合电流判据。500 kV变电站动力电缆漏电监测如图9所示。同时，亦在3条长段动力电缆馈线支路和2条短电缆馈线支路上同时保留剩余电流判据(定值为300 mA)，将基于本文所提判据、剩余电流判据的5条电缆漏电监测结果进行对比，如表2所示。此外，再通过支路电流的监测数据推算仅配置最传统的空开的监测效果(即能否到达空开动作电流判断效果)亦见表2。

图9 500 kV变电站的动力电缆漏电监测

表2 监测结果对比

由表2可见，实际运行结果表明，空开方案较难发现漏电故障。复合电流判据方案相较于剩余电流方案可更有效地发现电缆(尤其是长段动力电缆)的各种漏电故障。

基于现场运行经验和长期监测数据分析，可得出以下几点建议。

2) 不同交流负荷支路宜在考虑固有剩余电流等因素的基础上差异化设置告警值。

3) 电缆首末端CT的数据同步问题、抗电磁干扰问题较为突出，对漏电监测的影响不容忽视。

3) 对于三相交流负荷长期不平衡的长电缆，N线对PE漏电亦会产生剩余电流，故障排查时应关注该情况。

5  结论

本文分析了变电站交流系统长段动力电缆漏电特征和剩余电流监测方法的局限性，提出了一种自补偿复合电流判据及补偿量的工程取值方法。该方法能够显著提高漏电判别的灵敏性。仿真计算和500 kV变电站实际应用结果表明，本文所提监测方法能可靠实现长段动力电缆三相漏电告警，工程量合理，现场可操作性强，丰富了变电站交流系统动力电缆的漏电监测手段。

在后续的研究中，进一步针对漏电机理进行分析，结合变电站实际运行情况，对控制或减小剩余电流的措施开展理论分析和实际验算，以期消除或缓解因剩余电流过大给变电站造成消防、安全运行等隐患，为变电站交流系统智能运维进一步提供技术支持。

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Leakage current monitoring method for a long power cable in a substation based on a combined current criterion with self-compensation

CHEN Hao1, LIU Huaiyu1, YAO Kai1, MA Zhaoxing2, SUN Xiaolei1

(1. State Grid Jiangsu Electric Power Company Maintenance Branch, Nanjing 211102, China;2. School of Information and Control Engineering, Qingdao University of Technology, Qingdao 266525, China)

There is lack of an effective leakage current monitoring method for a long power cable in a substation. In this paper, based on the analysis on the variation features of leakage current and the imitation of present monitoring methods, a method for a substation AC system based on a combined current criterion with self-compensation is proposed. The residual current and the signal phase current of two ends of the power cable are used. The criterion is a combination of steady-state residual current, residual current increment, steady-state residual current differential, and single-phase residual current differential criteria, to achieve reliable detection on asymmetric leakage and three phase leakage currents of a long cable. The case study results show that the proposed method can monitor different kinds of leakage of a long power cable effectively and promote the level of AC system intelligent maintenance in a substation.

residual current; differential current; long power cable; combined current criteria; leakage current monitoring; intelligent maintenance

10.19783/j.cnki.pspc.211259

2021-09-12；

2021-11-30

陈 昊(1980—)，男，高级技师，研究员级高级工程师，主要从事变电二次运检相关工作；E-mail: pingfengma@ 126.com

马兆兴(1982—)，男，通信作者，博士，硕导，主要从事电力系统分析、运行，综合能源系统相关工作。E-mail: mazhaoxingapple@126.com

国家自然科学基金项目资助(61803220)；山东省自然科学基金项目资助(ZR2020ME194)；国家超级计算广州中心支持项目资助

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 61803220).

(编辑 魏小丽)